1.1半导体物理基础知识 半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的物体,它的电阻率在 (10-3-109)Ω.cm范围内,主要有硅(主要材料)、锗、砷化镓 (高频高速器件)等。 本征半导体 1、本征半导体:硅和锗的单晶(整块晶体内部晶格排列完全一致 或原子在空间排列成很有规律的空间点阵)称为本征半体(将 纯净原材料及需要的杂质放在坩埚中加热至熔点Si=1420%使其 融化为晶体,用一块小晶体与液面接触,将籽晶上拉即可生成 新的晶体,另一种办法是用高频感应加热硅棒,使其局部融化, 冷却后成为单晶) Si: 1S22S22P63S23P2 内层原子核称为惯性核」 Ge:1S2S2P63S23P63P104S24P2{2N2个电子旋转方向的不同 分布} 它们最外层都有四个价电子,形成单晶时,每个价电子和邻 近原子的价电子形成共价键
1.1 半导体物理基础知识 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，它的电阻率在 （10-3--109） .cm范围内，主要有硅（主要材料）、锗、砷化镓 （高频高速器件）等。 一、本征半导体 1、本征半导体：硅和锗的单晶（整块晶体内部晶格排列完全一致 或原子在空间排列成很有规律的空间点阵）称为本征半体（将 纯净原材料及需要的杂质放在坩埚中加热至熔点Si=14200C使其 融化为晶体，用一块小晶体与液面接触，将籽晶上拉即可生成 新的晶体，另一种办法是用高频感应加热硅棒，使其局部融化， 冷却后成为单晶） Si：1S22S22P63S23P2 {内层原子核称为惯性核} Ge：1S22S22P63S23P63P104S24P2 { 2N2个电子旋转方向的不同 分布} 它们最外层都有四个价电子，形成单晶时，每个价电子和邻 近原子的价电 子形成共价键
在热力学温度0K时和没有外界影响条件下,价电子束缚在共价 键中,不能自由移动,不是自由电子,是良好的绝缘体 2、本征激发和复合:在温度升高和受到光线照射时,共价键中的 价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子,在共价键中留下相同 数量的空穴(可以看作带正电的离子或载流子)这种现象称为 本征激发。 空穴形成后,邻近共价键中的价电子受它的吸引作用很容易跳 过去填补空穴,这样空穴便转移到邻近共价价键中去,因此就 出现价电子和空穴两个相反方向的运动,半导体正是依靠自由 电子和空穴两种载流子导电的物质 所谓复合是指自由电子在热骚动过程中与空穴相遇而释放能量, 造成自由电子-空穴对的消失
在热力学温度0K时和没有外界影响条件下，价电子束缚在共价 键中，不能自由移动，不是自由电子，是良好的绝缘体。 2、本征激发和复合：在温度升高和受到光线照射时，共价键中的 价 电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子，在共价键中留下相同 数量的空穴（可以看作带正 电的离子或载流子）这种现象称为 本征激发。 空穴形成后，邻近共价键中的 价电子受它的吸引作 用很容易跳 过去填补空穴，这样空穴便转移到邻近共价价键中去，因此就 出现价电子和空穴两个相反方向的运动，半导体正 是依靠自由 电子和空穴两种载流子导电的物质。 所谓复合是指自由电子在热骚动过程中与空穴相遇而释放能量， 造成自由电子--空穴对的消失
3、费米能级与热平衡载流子浓度: 根据量子统计理论可知,在温度为T时(晶体处于热平衡状), 能量为E的状态被电子占有的几率为: F(E)=(1+EXPI (E-EF)/KT] 其中T是绝对温度(室温T=300K) K是玻尔兹曼常数K=1.38×1023焦耳/0K E是费米能级,E=E状态被电子占有的几率为1/2 在原子中,电子所具有的能量状态不是连续分布的,而是离散 的,每一个能量状态对应一个能级,能级是量子化的,其分布 如下图1-1所示:
3、费米能级与热平衡载流子浓度： 根据量子统计理论可知，在温度为T时（晶体处于热平衡状）， 能量为E的状态被电子占有的几率为： F（E）={1+EXP[（E-EF）/KT]}-1 其中T 是绝对温度（室温T=3000K） K是玻尔兹曼常数 K=1.3810-23焦耳/ 0K EF是费米能级，E= EF状态被电子占有的几率为1/2 在原子中，电子所具有的能量状态不是连续分布的，而是离散 的，每一个能量状态对应一个能级，能级是量子化的，其分布 如下图1-1所示：
导带 ec 林示 带 F 图1-1 - EV 价带o0oo000000000 为了计算自由电子的浓度,还应知道状态密度函数Ne(E) 它表示单位体积内和单位能量范围内(ev电子伏特)允许电子 占有的能量状态数目,自由电子均处在导带内,空穴均处在价 带内,处在导带内的自由电子至少具有EC能量,因此本征半导 体中自由电子的浓度为 Ni=Ne(E)F(e)d E=AT3/2EXP [-Eoo/KT
导带 • • • • • • • • • • • • • • • • • • ——————————Ec 禁带 – – –– – – – – – – – – – – EF 图1-1 ——————————Ev 价带 o o o o o o o o o o o o o 为了计算自由电子的浓度，还应知道状态密度函数 Ne（E）， 它表示单位体积内和单位能量范围内（ev电子伏特）允许电子 占有的能量状态数目，自由电子均处在导带内，空穴均处在价 带内，处在导带内的自由电子至少具有 Ec能量，因此本征半导 体中自由电子的浓度为： Ni =EcNe（E）•F（E）d E= AT3/2EXP [-Eg0 /KT]
式中A是常数(硅为388×1016cm3K32锗为176×1016cm3K32 Ea是T=0K即-273C时的禁带宽度,室温下计算: 硅的N;=1.5×1010cm3锗的N;=24×1013cm3 而在金属导体中,自由电子浓度可达1022-1023cm3,相比之下 导电能力差,不能产生二极管、三极管所需的导电机制,必须 采取措施(如掺杂)。 杂质半导体 在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体, 分为N型和P型若掺入五价元素的杂质(磷、锑或砷),则是 N型半导体,若掺入三价元素(硼、镓、铟),则是P型半导 体
式中A是常数（硅为3.88×1016cm-3K-3/2 锗为1.76 ×1016cm-3K-3/2 ） Eg0是T=0K即-273OC时的禁带宽度，室温下计算： 硅的 Ni =1.5 ×1010 cm-3 锗的Ni =2.4 ×1013 cm-3 而在金属导体中，自由电子浓度可达10221023 cm-3 ，相比之下 导电能力差， 不能产生二极管、三极管所需的导电机制，必须 采取措施（如掺杂）。 二、 杂质半导体 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体， 分为N型和P 型若掺入五价元素的杂质（磷、锑或砷），则是 N型半导体，若掺入三价元 素（硼、镓、铟），则是P型半导 体